無線傳感器網絡 - 下一代數據采集技術—USB和WiFi數據采集的優(yōu)勢

無線傳感器網絡的應用已有多年歷史，但在其應用中需要采用定制硬件和專屬軟件。這使得簡單應用的構建也變得復雜，并要求極高的成本和工程技術能力。此外，許多現有的無線傳感器技術都與單點測量聯系在一起，而少有數據流波形采集。理想的無線DAQ方案應提供高性能、易用性、可靠性和安全性?；谝陨希琋I選擇了IEEE 802.11b/g，配以128位AES加密和IEEE 802.11i (WPA2)支持。IEEE 802.11的廣泛使用以及其高達56 MB/s的傳輸速度，提供了易用性和足夠的性能來支持100kS/s的數據流采集。

　　IEEE 802.11也具備足夠可靠性。IEEE 802.11標準規(guī)定了無線客戶端之間、無線客戶端和基站或接入點之間的空中接口協(xié)議。標準還規(guī)定了物理層(PHY)和介質訪問控制層(MAC)，并針對性地解決了制造商和無線設備之間的兼容問題。連接不符合IEEE標準的無線DAQ設備往往需要大量努力，同時也使測試變得不可靠的。那么，什么是IEEE 802.11標準，為何它對于DAQ來說是必須的呢?

　　IEEE 802.11的基本連接機制是載波監(jiān)聽多路訪問和沖突檢測(CSMA/CA)協(xié)議，與以太網類似。任何希望傳輸數據的設備首先監(jiān)聽物理網絡;如果網絡忙(如其它設備正在傳輸)，就延遲并在之后重新傳輸。如果網絡預定時間段空閑(DIFS – 分布式幀間隔)，傳輸開始。但是當兩臺設備同時發(fā)現網絡空閑時就會出現問題。兩臺設備都開始進行傳輸，造成沖突。

　　在線纜式系統(tǒng)如以太網中，這種沖突很容易被監(jiān)測和計數，因為所有設備都能“聽到”其它設備。而在無線網絡中，一臺設備可能感知到網絡空閑，而事實上目標接收機(放置在中心位置)可能正忙于接收來自另一臺感知范圍之外的設備的數據。在通常的運行中，接收機在信息中添加一個校驗和，向設備返回確認(ACK)信息。如果設備沒有接收到確認信息，即時檢測到的網絡仍然是空閑的，但它仍將嘗試繼續(xù)發(fā)送請求。

　　這種數據保護協(xié)議是DAQ應用中必須的，不同于無線音樂或視頻流，任何數據丟失都將造成異常結果，使測量結果無效。IEEE 802.11標準的無線產品被認為是可靠且靈活的，但400頁的標準文檔中沒有提到任何安全性相關的文字。

　　許多應用對數據傳輸提出了安全性要求——出于國家安全的原因或是向潛在競爭對手隱藏數據的原因。無線安全性方面的語言可能非常復雜，且涉及更多縮寫。所有安全性都是基于各種數據編碼和用戶權限的組合。編碼標準由多種。首先是WEP(有線等效加密)，接下來是WPA(Wi-Fi保護訪問)，但兩種都有可能危及安全性。最新的Wi-Fi產品符合WPA2標準，并使用AES(高級編碼標準)。它采用了128位密碼，這種密碼比WEP和WPA的算法更難破譯。事實上，國家標準技術局(NIST)選擇了AES作為編碼標準，所有美國政府機關都采用該標準。WPA2已被證實是穩(wěn)定安全的，可用于各類應用包括Wi-Fi DAQ。

　　SAPHIR公司選擇使用NI公司的WLS-9163 Wi-Fi外盒，因為它符合IEEE 802.11協(xié)議和WPA2的安全性。他們使用與之前USB系統(tǒng)相同的NI-DAQmx驅動，可以在無需重寫代碼的前提下升級到Wi-Fi。USB和Wi-Fi外盒都是用相同的C系列平臺，作為采集和信號調理模塊，因此使硬件成本支出最小化。這也簡化并加速了向更實用、功能更強大的Wi-Fi系統(tǒng)的轉化。

　　

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　　圖3. WLS-9163包含NI-9234動態(tài)信號采集模塊。

　　現在，Wi-Fi可以作為簡單且安全的DAQ選擇，供任何行業(yè)內的科學家和工程師使用。在那些采用有線方案會不實際，不能實現或者成本太高的應用中，它已經成功實現動態(tài)數據傳輸。今天的科學家和工程師無需擔心總線帶來的限制。相反，通過靈活的軟件和易用的驅動，開發(fā)人員能夠可以指定選擇適合應用的總線，從高吞吐率的PCI Express到簡單即插即用配置的USB、或高度靈活性和移動性的Wi-Fi。現在，領域專家掌握了DAQ系統(tǒng)的選擇權，從而更好地滿足他們的需要。